氮掺杂空心碳球负载钯钴合金在直接乙醇燃料电池中的电催化性能研究

摘要

随着环境问题的日益突出，化石能源日渐枯竭，直接乙醇燃料电池（DEFC）作为一种清洁高效的能量转换装置已经引起了越来越广泛的关注。然而，DEFC阴阳两极反应都面临着动力学十分缓慢的问题，商业Pt/C催化剂目前应用最为广泛且活性较高，但价格昂贵、稳定性差、容易被甲醇毒化等问题直接影响着DEFC的产业化进程。因此，开发非Pt高效催化剂成为研究的重中之重。本文采用模板法，利用生物分子多巴胺的自聚及离子络合作用一步实现聚多巴胺在二氧化硅纳米球表面的包覆及Co2+和Pd2+的负载，优化合成条件，最终制备出高催化活性的包覆PdCo合金的氮掺杂空心碳纳米球，PdCo@NHCSs。
　　接下来，本文以Pd@NHCSs，Co@NHCSs，NHCSs为对比，对PdCo@NHCSs的氧还原及乙醇氧化性能进行了系统研究。氧还原测试结果表明：PdCo@NHCSs有着与商业Pt/C极为相近的催化活性及反应动力学，且贵金属Pd负载量（2.4 wt％）远小于商业Pt/C（10 wt%），长期稳定性与甲醇抗毒性也得到了明显提升；乙醇催化氧化性能测试表明：PdCo@NHCSs和Pd@NHCSs的催化活性及稳定性均高于商业Pd/C，PdCo@NHCSs的氧化峰电流几乎为商业Pd/C的15倍。结合表征结果进行分析，本文认为PdCo@NHCSs的高活性主要归功于以下几点：（1）活性金属Pd与Co之间良好的协同催化作用；（2）Co与碳基底中的N元素相互作用，有效增加高活性吡啶型N的数目；（3）Co对Pd表面晶格及电子结构的有效调控；（4）PdCo合金粒径较小且均匀分布从而增加活性位点数目；（4）较大的比表面积；（5）碳层对纳米粒子的限域作用。
　　综合以上分析，可以知道本文制备的PdCo@NHCSs将是十分有效的DEFC阴阳两极催化剂。而且采用与PdCo@NHCSs相同的制备方法，还成功合成了Fe@NHCSs，PdFe@NHCSs，Ni@NHCSs，PdNi@NHCSs催化剂，故而认为本文提出的方法可以广泛应用到氮掺杂碳材料包覆一元乃至多元合金纳米材料的制备过程中。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

1绪论

1.1多巴胺

1.1.1多巴胺的仿生学起源

1.1.2 多巴胺聚合

1.1.3 聚多巴胺粘附机理

1.1.4 聚多巴胺用于表面修饰

1.2 燃料电池

1.2.1 燃料电池的工作原理[26, 28, 30]

1.2.2 阴极氧还原反应（Oxygen Reduction Reaction，ORR）

1.2.3 阳极乙醇氧化（Ethanol Oxidation Reaction，EOR)

1.2.4 PdCo催化剂的研究进展

1.3 本论文的研究目的及主要内容

2 实验方法

2.1 实验试剂及材料

2.2 实验仪器

2.3 催化剂的物理化学表征

2.4 电化学测试方法

2.4.1 工作电极的制备

2.4.2 氧还原性能测试

2.4.3 乙醇催化性能测试

3. 氮掺杂空心碳球负载PdCo合金催化剂的制备方法及性能研究

3.1材料制备

3.1.1 SiO2纳米球的制备

3.1.2 不同离子负载方法的PdCo/C样品制备

3.1.3不同比例的PdCo@NHCSs制备

3.1.4不同温度的PdCo@NHCSs制备

3.1.5 Pd@NHCSs，Co@NHCSs，NHCSs的制备

3.1.6 PdFe@NHCSs，PdNi@NHCSs，Fe@NHCSs，Ni@NHCSs的制备

3.2 结果与讨论

3.2.1 SiO2纳米球

3.2.2纳米离子负载方法对催化剂性能的影响研究

3.2.3金属比例对催化剂性能的影响研究

3.2.4温度对催化剂性能的影响研究

3.2.5 PdCo@NHCSs催化剂性能研究

3.2.6制备方法普适性研究

4 总结与展望

致谢

参考文献